Wireless OFDM systems: channel prediction and system capacity

Abstract

The general theme of this thesis is orthogonal frequency division multiplexing (OFDM) communications over time and frequency selective fading channels. We propose and study linear prediction techniques for acquiring channel state information (CSI) in OFDM receivers, and we perform an information-theoretic analysis of the performance of OFDM systems. After a review of the generic discrete-time pulse-shaping OFDM system (which comprises conventional cyclic-prefix OFDM systems as a special case), we consider the transmission over a time and frequency selective fading channel. We arrive at an approximate multiplicative system input-output relation in which intersymbol and interchannel interference is neglected. Based on this approximate input-output relation, we propose decision-directed channel predictors that are capable of yielding up-to-date CSI without regular transmission of pilot symbols. We derive the minimum mean-square error (MMSE) predictor and a reduced-complexity version that allows for an efficient DFT implementation. We also develop adaptive predictors that do not need statistical prior knowledge and can track nonstationary channels. Several applications of channel prediction are discussed, and the excellent performance of the proposed techniques is demonstrated by computer simulations. The second major contribution of this thesis is an information-theoretic analysis of the performance of OFDM systems transmitting over time and frequency selective channels. We study the system capacity of wideband OFDM communications in the absence of CSI at the transmitter and the receiver. Using a codebook that is peaky in time and frequency, we show that OFDM can approach the infinite-bandwidth channel capacity. On the other hand, using a nonpeaky constant-modulus signaling scheme, we show that the information rate is reduced by a penalty term that is related to the predictability of the fading channel. We quantify the impact of the spread and shape of the scattering function on this penalty term. Finally, we formulate an upper and a lower bound on system capacity and demonstrate by simulations that both bounds are close to the AWGN channel capacity for large ranges of bandwidth and for practically relevant system parameters.

Diese Dissertation behandelt die Datenübertragung mittels orthogonaler Frequenzmultiplex-Technik (orthogoanl frequency division multiplexing, OFDM) über zeit- und frequenzselektive Schwundkanäle. Wir entwickeln und untersuchen lineare Prädiktionsmethoden zur Erlangung von Kanalinformation im OFDM-Empfänger. Eine informationstheoretische Analyse von OFDM-Systemen liefert weiters Ergebnisse über deren Leistungsfähigkeit. Nach der Beschreibung des zeitdiskreten OFDM-Systems mit Impulsformung (welches das übliche OFDM-System mit zyklischem Präfix als Spezialfall enthält) behandeln wir die Übertragung über zeit- und frequenzselektive Schwundkanäle. Es ergibt sich näherungsweise eine Eingangs-Ausgangsbeziehung, die Intersymbol- und Interkanalinterferenz vernachlässigt. Ausgehend von dieser Näherung entwickeln wir entscheidungsrückgekoppelte Kanalprädiktoren, die ohne Übertragung von Pilotsymbolen aktuelle Kanalinformation liefern können. Wir berechnen jenen Prädiktor, der den mittleren quadratischen Prädiktionsfehler minimiert und schlagen eine DFT-Implentierung geringerer Komplexität vor. Weiters entwickeln wir adaptive Prädiktoren, die kein statistiches Vorwissen benötigen und nichtstationären Kanälen folgen können. Verschiedene Anwendungen der Kanalprädiktion werden behandelt, und die ausgezeichnete Leistungsfähigkeit der vorgeschlagenen Methoden wird durch Simulationen gezeigt. Der zweite wesentliche Beitrag dieser Dissertation ist eine informationstheoretische Analyse der OFDM-Übertragung über zeit- und frequenzselektive Schwundkanäle. Wir untersuchen die Systemkapazität ohne Kanalinformation am Sender und Empfänger. Mit Hilfe eines Codebuchs, das die Sendeleistung in Zeit und Frequenz konzentriert, zeigen wir, daß OFDM die Kanalkapazität für unendliche Bandbreite erreichen kann. Für Phasenmodulation-Codebücher zeigen wir hingegen, daß die Informationsrate durch einen Term reduziert wird, der mit der Prädizierbarkeit des Kanals zusammenhängt. Wir quantifizieren den Einfluß von Ausdehnung und Form der Streufunktion auf diesen Reduktionsterm. Abschließend formulieren wir eine obere und untere Schranke für die Systemkapazität und zeigen mittels Simulationen, daß beide Schranken innerhalb großer Bandbreitenbereiche und für praktisch relevante Systemparameter nahe der Kapazität des AWGN-Kanals sind.